车载充电机、DC/DC转换器的市场、技术、供应商、整车配套全面剖析
本文主要从市场、技术、供应商、整车配套关系等角度对新能源汽车车载充电机、DC/DC转换器进行分析。文章分为三部分:
车载充电机技术及市场
DC/DC转换器技术及市场
主流供应商及整车配套关系
第一部分：车载充电机技术及市场
车载充电机是新能源汽车必不可少的核心零部件,其市场规模随着新能源汽车市场的快速增长而扩大。2016年,电动汽车车载充电机市场规模18亿元,未来几年随着新能源汽车产量的逐年提升,笔者预计到2020年国内电动汽车车载充电机市场规模将达到77亿元。
1、车载充电机工作原理
与传统汽车相比较,新能源汽车有三大核心部件,分别是:“电池”总成:指电池和电池管理系统;“电机”总成:指电动机和电动机控制器;高压“电控”总成:包含车载 DC/DC 变换器、车载充电机、电动空调、PTC、高压配电盒和其他高压部件,主要部件是车载DC/DC 变换器和车载充电机。
电动汽车车载充电机(OBC)是指固定安装在电动汽车上的充电机,具有为电动汽车动力电池,安全、自动充满电的能力,充电机依据电池管理系统(BMS)提供的数据,能动态调节充电电流或电压参数,执行相应的动作,完成充电过程。
车载充电机作为一个电力电子系统,主要由功率电路和控制电路组成。
对于功率电路,由变压器和功率管组成的DC/DC变换器是其重要组成部分。对于控制电路,它的核心是控制器,用来实现与BMS的CAN通信,并控制功率电路按照三段式充电曲线给锂电池组充电。当车载充电机接上交流电后,并不是立刻将电能输出给电池,而是通过BMS 电池管理系统首先对电池的状态进行采集分析和判断,进而调整充电机的充电参数。
图表 1 某车型HV 电气系统及CAN 网络连接图
车载充电机有两大部分,电源部分(主回路)和充电机控制主板。
充电机控制住主板主要是对电源部分进行控制、监测、计量、计算、修正、保护以及与外界网络通信等功能,是车载充电机的“中枢大脑”,电源部分主要作用是将220伏交流电转化为300多伏的直流电,电源部分又分为PFC和LLC两部分,实际上我们可以把PFC看作是AC/DC,而把LLC看作是DC/DC。
图表 2 车载充电机工作原理图
据笔者调研,目前国内车载充电机主流的为3.3KW和6.6KW,而国外如特斯拉采用的是高功率充电机,功率达到10KW。
高功率是未来产品的一大趋势。
图表 3 国内典型车载充电机技术参数
国内新能源汽车都标配了车载充电机,家用电源线也能给车辆充电。目前电动汽车上使用的充电机主要是密封式车载充电机和便携非密封式充电机两种。
车载式充电机按照技术标准应满足抗震、防水、散热等基本要求,这就决定了其应是密封式金属外壳、内部采用全灌胶或局部灌胶工艺,否则是很难实现标准要求。正规厂家生产且满足这类标准的车载式充电机充电过程是不存在安全隐患的。
便携非密封式充电机在微型电动车上,不论是便携使用还是车载使用都是不安全的。用户由于担心其进水、被盗等原因,经常把充电机与插排一起放到驾驶室内进行充电,这样就非常容易引起火灾。便携非密封式充电机适合一些有专人维护和固定充电场地的车辆,譬如高尔夫球车、观光旅游车、叉车等。
2、车载充电机市场概况
据笔者调研,目前国产车载充电机价格为2000-5000元/台,功率越大价格越高。目前市场上6.6kw充电机4000-5000元,3.3kw充电机2000-3000元,2kw充电机的售价在几百元到一千元。
车载充电机是新能源汽车必不可少的核心零部件,其市场规模随着新能源汽车市场的快速增长而扩大。2016年,电动汽车车载充电机市场规模约20亿元,未来几年随着新能源汽车产量的逐年提升,笔者预计到2020年国内电动汽车车载充电机市场规模将达到77亿元。
图表 4 2015-2020年中国车载充电机市场规模(亿元)
第二部分：DC/DC转换器技术及市场
DC-DC转换器一般会配套其他部件供应给整车企业,企业很难依靠这单一部件来盈利,在产量较低的时候,BOM成本会很高,不易切入,因此市场供应格局相对稳定。
1、技术原理及应用场景
DC/DC变换器是将一种电平的直流电压变换为另一种电平的直流电压的电路。
DC-DC转换器的主要部件是变压器。利用变压器改变电压时,变压器需通过交流电压。充电电池是直流电压,因此DC-DC转换器通过利用功率半导体ON/OFF来自充电电池的直流电压,将其转换成交流电压。
然后,利用变压器转换交流电压,再利用功率半导体将交流电压转换成12V的直流电压。利用功率半导体转换交流和直流时,为抑制电压波形的噪声(平滑化),还使用了电容器。
通俗来讲,变换器的输入是一个已经经过滤波之后的直流电压,但是其可以是固定不变的;变换器的输出是可变的直流电压,也针对许多应用设计成多种输出电压。目前DC/DC变换器的效率可以很高,达到90%以上。
从类别来看,根据是否使用隔离变压器,DC/DC变换器可分为隔离式DC/DC变换器和非隔离式DC/DC变换器。
非隔离式DC/DC变换器一般都有一个开关和一个二极管,有的可能还会有一个电感和一个电容等储能元件。还有一些其他类型的非隔离式DC/DC变换器,其电路拓扑中有两个开关、两个二极管和一些储能元件。
在许多应用场合,包括在电动汽车和混合动力汽车中需要实现输入和输出的电气隔离,隔离式DC/DC变换器就是这样一种有高频隔离变压器的基本拓扑结构。
图表5 DC-DC转换器的类别
DC/DC变换器在电动汽车(包括混合动力)中主要有以下三种应用类型:
1)高压升压器
这种高压升压器,是一种选择性的架构,主要是某些整车企业,为了提高动力系统的效率,选择用一个Boost的升压器来提高逆变器输入的总线电压。因此,这个部件集成在逆变器里面,作为动力总成的一部分。
此类器件,由于在特定的部件条件下,通过系统设计优化出来的一个附带产物,并不是每个整车企业都需要选择,特别是随着锂电化带来的系统电压等级的升高,这个器件对于普通的零配件企业而言不是很好的机会。
2)高低压转换器(辅助功率模块)
此模块的主要作用是取代传统的12V发电机。强混以上的系统之中,发动机输出的动力直接驱动高压继电器对高压电池系统进行补电,传统的12V用电负荷,则完全依靠这个DC/DC变压器供给,因此传统的用电负荷补给也就落实到了这里。
此类器件,几乎所有的新能源汽车都会应用,功率范围从1KW～2.2KW,也是未来48V系统的一个核心元件,将对此器件进行展开。
3)12V电压稳定器
12V电压稳定器,主要是用在部分Start-Stop系统(如果有可能,后续对Start-Stop将要做个分类,目前在欧洲SS系统已经应用非常广泛了。在启动过程中,如果采用某种架构用来防止电压波动对一些敏感器件产生影响。
这里的敏感负载,主要包括用户可见的用电负载,如内饰灯和收音机等。电压稳压器的功率等级,随着敏感用电器的负荷而定,一般为200～400W;总体而言,此类器件功率等级较小,成本要求较为苛刻,欧洲的零部件厂家切入较早,这类器件的技术已经非常成熟。
图表6 纯电动汽车中DC-DC转换器应用场景
图表7 混合动力汽车中DC-DC转换器应用场景
2、市场应用情况
在实际应用过程中,对DC-DC转换器的选择很重要,合理使用DC-DC可以有效地控制高电压值的稳定,有利于电动汽车驱动性能的提升。目前从国内电动汽车研发设计思路来看,大多厂商采用单向DC-DC转换器。
单向DC-DC转换器可以达到优化电机控制、提高电动汽车整体效率性能的作用,同时还可以避免出现反向制动无法控制和变换器出现浪涌电压的不利情况。
从2015年以前开发设计的电动汽车来看,单向DC-DC转换器为主流,国内外企业涉及该领域的企业也较多,市场产品相对充足。
近两年来,双向DC-DC转换器也开始被市场接受。双向DC-DC转换器能更加方便地实现能量的双向传输,减少了其他电子器件的使用,一定程度上节约了成本,同时其还有体积小、效率高等优势。从趋势来看,双向DC-DC转换器应用将越来越普遍。
笔者通过测算,2016年中国新能源汽车DC/DC转换器市场规模约15亿元,未来几年随着新能源汽车产量的逐年提升，笔者预计到2022年国内电动汽车DC/DC转换器市场规模将超过60亿元。
图表8 2016-2022年中国新能源汽车DC/DC转换器市场规模预测(亿元)
第三部分：主流供应商及整车配套关系
一、主要企业下游配套情况
新能源汽车车载充电机、DC/DC转换器行业的主要经营模式包括三种:
第一种模式是专业的车载电源生产商直供整车厂,特征是具有较强研发能力、技术优势以及渠道优势的企业借助先进的技术平台,开发多领域应用的系列产品,并在技术规格上对产品进行模块化、标准化设计,直接为整车厂提供新能源汽车车载DC/DC转换器。
第二种模式是具有渠道资源的系统集成商采购车载电源等产品向整车厂提供集成产品。
第三种模式是整车厂自主生产车载充电机、DC/DC转换器用于自产的新能源汽车。
图表9 车载充电机、DC-DC转换器主要配套模式
车载DC/DC转换器公司一般采用直销的营销模式。产品下游直接客户是新能源汽车整车厂和整车厂的集成供应商,新能源汽车整车厂以及整车厂的集成供应商一般按整车设计来定制车载电源及充电系统。
车载DC/DC转换器企业通过为整车厂及其集成供应商提供定制化产品方案、联合开发等多种形式获取订单。
图表10 主要车载充电机、DC-DC转换器企业下游配套情况
二、车企选择供应商的标准
车载充电机、DC/DC转换器作为新能源汽车重要零部件,其技术水平、产品性能对汽车的品质及安全具有重要影响,因此客户对供应商的筛选非常严格,通常会挑选研发能力强、技术水平先进、资金实力雄厚、生产规模大、售后服务完善的DC/DC转换器企业作为供应商。
具体要求主要有以下几点:
(1)技术设计的要求
车载充电机、DC/DC转换器研发人员需考虑使用地区的气候条件、地貌路况、车辆用途、车型、消费档次等多方面因素,选择适合的各项零部件进行匹配,并设计恰当的管路将各项零部件连接从而形成优化的系统。因此生产企业需具有良好的设计匹配技术,才能保证其设计出的产品性能优良、体积小、重量轻、环境适应能力强、质量高且成本较低。
企业要拥有良好的产品设计匹配技术,需要具备以下条件:
a、需有一支具有完善的理论分析能力、试验验证能力且经验丰富的研发团队;
b、企业需拥有可以模拟各种环境条件的试验室、实验设备和一整套检验体系;
c、企业需具备严谨高效的开发流程和项目管理体系;
c、企业需具备针对市场变化的快速反应能力,产品技术创新快速高效;
d、还要有相对广泛、需求各异的消费群体基础,以提高在不同情况下的匹配技术水平。
由于达到上述条件具有一定难度,因此新进入者较难掌握车载充电机设计匹配技术,具有技术积累的企业具有优势。
(2)转换效率是车载电源产品的重要技术指标
提高车载充电机、DC/DC转换器的转换效率有利于减少给动力电池充电过程中的电量损耗。因此提高车载电源的转换效率,减少充电和电压转换过程中的电量损失,具有重要意义,车企在选择供应商的时候,转换效率是其重要的参考指标。
(3)可靠性成为各厂家的主要差距所在
新能源汽车充电机、DC/DC转换器的运行环境比较复杂,会面临发动机舱的高温、整车的振动、电池电压剧烈的波动等诸多问题,这对产品的可靠性提出了很高的要求。
可靠性是各厂家车载电源产品的主要差距所在,也是车企业选择的供应商的必要指标。
对于可靠性,需要从三方面去考量:其一是通过严格的开发流程(TS16949)来控制规范;其二需满足汽车级设计;其三需要有严苛的可靠性、耐久性试验。
(4)完善的售后服务网络
汽车最终用户要求充电机、DC/DC转换器生产企业的售后服务快速、便捷、质量高、覆盖面广。
为此,生产企业需投入大量的时间、资金和人力,在全国各地建立庞大的售后服务网点、信息服务系统并培养一支稳定且维修经验丰富、反应迅速的售后服务队伍。
另外,新能源整车制造企业规模较大,采取招标或商务谈判方式进行设备采购,一般采取总部框架招标,具体的销售合同由其各地分公司、子公司与公司另行签订的方式,单笔招标金额通常较大,对合格供应商的技术、成本控制、交付、售后等服务能力要求较高。
